大傾角煤層無人工作面深孔爆破落煤參數(shù)設(shè)計*

韓 亮，曲效成，劉聚友，彭 瑞

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601；2.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 102200； 3.陜西麟北煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司，寶雞 721505)

大傾角煤層開采一直是采礦領(lǐng)域的難題，新礦集團福城煤礦部分煤層目前正面臨開采傾角大，頂板破碎滑落的問題，個別工作面甚至出現(xiàn)嚴(yán)重冒頂致使工作面停產(chǎn)，設(shè)備難以撤出的情況，給企業(yè)造成極大損失。由于大傾角煤層占比較大，因此如何安全回收這部分資源將是礦井的一項重要工作，在此背景下，礦方聯(lián)合科研單位，提出了大傾角煤層無人工作面開采工藝。該工藝是在工作面上、下區(qū)段平巷端頭實體煤幫布置鉆孔，平行于工作面打眼爆破，現(xiàn)場人員不進入工作面，面內(nèi)不設(shè)支護，煤體爆落后，經(jīng)引煤裝置扒落至下區(qū)段平巷，完成資源的開采。上述環(huán)節(jié)中，深孔爆破落煤是整個工藝的關(guān)鍵，爆破效果的好壞將直接影響該工藝的生產(chǎn)效率。

深孔爆破技術(shù)源于露天開采，此后在交通、水利和煤礦等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。井工開采中，深孔爆破多用于煤層卸壓[1-3]、瓦斯抽放[4-6]、切頂預(yù)裂爆破等領(lǐng)域[7-11]，在煤體爆破方面應(yīng)用較少，現(xiàn)有文獻關(guān)于其爆破參數(shù)的設(shè)計也鮮有介紹?；诖髢A角無人工作面深孔爆破落煤試驗，提出爆破參數(shù)的設(shè)計思路，并通過爆破效果加以驗證，設(shè)計成果將為后續(xù)生產(chǎn)積累重要的實踐經(jīng)驗，也可供其他項目參考借鑒。

1 試驗工作面概況

選擇采區(qū)西側(cè)WⅠ-1工作面作為試驗工作面，設(shè)計走向長461.5 m，傾斜長約30 m，如圖1所示。主采9號煤層，煤層傾角為30°，節(jié)理裂隙不發(fā)育，分上、下分層，中部為砂巖夾矸，厚0.15～0.6 m，上分層厚度平均1.2 m，煤層有益厚度3.50 m，總體厚度4.25 m。根據(jù)工作面揭露的鉆孔可知，直接頂為一層2.85 m厚的灰?guī)r，基本頂為9.75 m厚的泥巖。

2 爆破參數(shù)設(shè)計

2.1 鉆機及火工品

(1)鉆機

鉆機型號決定了炮孔直徑及鉆孔效率，傳統(tǒng)的深孔爆破一般采用大直徑炮孔(φ75 mm以上)，但考慮到現(xiàn)場設(shè)備、火工品情況及爆破塊度要求，炮孔直徑不宜過大，本次設(shè)計中選用鉆機型號為ZQJL-802.0S氣動架柱式鉆機，配套的炮孔直徑為φ42～50 mm。

(2)炸藥

炸藥直徑應(yīng)與炮孔直徑相匹配，還應(yīng)考慮裝藥工藝的可行性及便捷性，受現(xiàn)場火工品條件的制約，炸藥選擇二級煤礦許用水膠炸藥T-320，炸藥參數(shù)如表1所示。

表1 現(xiàn)場炸藥參數(shù)表Table 1 Field explosive parameters

(3)起爆及傳爆器材

為消除管道效應(yīng)，設(shè)計使用礦用導(dǎo)爆索沿裝藥全長敷設(shè)，若現(xiàn)場不具備使用導(dǎo)爆索的條件，亦可采用同段位5段以下8#電雷管進行搭接傳爆。

2.2 爆破參數(shù)計算

(1)炮孔直徑d

炮孔直徑與最小抵抗線和孔間距密切相關(guān)，也與爆破效果和鉆孔效率等有關(guān)。隨著鉆孔直徑的增大，大塊率也會相應(yīng)增大。綜合考量后，選擇鉆頭直徑d為42 mm。

(2)裝藥密度Δ

裝藥量與其所占炮孔體積的比值稱為裝藥密度。裝藥密度愈小，炸藥的威力也愈小，爆破中應(yīng)設(shè)法保證最大的裝藥密度。受現(xiàn)場火工品條件的制約，T-320水膠炸藥藥卷長度為400 mm，單卷質(zhì)量0.32 kg，確定的炮孔直徑為φ42 mm，計算得到炮孔裝藥密度Δ為578 kg/m3。

(3)裝藥系數(shù)τ

裝藥系數(shù)是指裝藥長度與炮孔長度之比，根據(jù)經(jīng)驗，深孔爆破裝藥系數(shù)一般取0.7～0.85，設(shè)計中裝藥系數(shù)τ取0.8。

(4)炮孔密集系數(shù)m

炮孔密集系數(shù)是指孔距a與最小抵抗線W的比值。根據(jù)經(jīng)驗，深孔爆破密集系數(shù)一般取0.8～1.4，設(shè)計中密集系數(shù)m取1.2。

(5)炸藥單耗q

炸藥單耗就是每爆破1 m3礦巖所需要耗費的炸藥量。9號煤普氏系數(shù)f約為2，根據(jù)現(xiàn)場爆破漏斗試驗，計算單耗q為0.25 kg/m3，考慮到煤層爆破自由面較少，受頂?shù)装鍔A制作用較大，因此，需適當(dāng)增加單耗取值，為保證首次爆破效果，設(shè)計單耗q取0.5 kg/m3，后期可根據(jù)爆破塊度及爆堆分布情況對單耗進行調(diào)整。現(xiàn)場自由面情況如圖2所示。

(6)抵抗線W及孔距a

抵抗線和孔距是影響爆破效果和爆破安全最重要的參數(shù)，根據(jù)裝藥量平衡原理，對巴隆公式進行相應(yīng)變換可知

式中，l=H，均為炮孔深度，其余參數(shù)同前。上式簡化為

代入前述參數(shù)，可得W≈1 m，a≈1.2 m。

根據(jù)計算情況，歸納爆破參數(shù)如表2所示。

表2 爆破參數(shù)計算表Table 2 Calculation table of blasting parameters

(7)填塞長度

從爆破效果等考慮，填塞長度最少應(yīng)等于最小抵抗線，考慮到煤層爆破的安全性，堵塞長度的設(shè)計不應(yīng)小于2 m。

2.3 炮孔布置方案

工作面斜長約30 m，煤厚4～4.5 m，根據(jù)計算得到的爆破參數(shù)，同時考慮爆后松散煤體不至于充滿巷道導(dǎo)致放煤或通風(fēng)不暢，試驗初期，沿煤層走向爆破進尺暫定1 m。從鉆孔準(zhǔn)確性及裝藥難易程度上考慮，炮孔布置擬設(shè)計兩套方案:第一種方案從上區(qū)段及下區(qū)段平巷分別向各自實體煤側(cè)打?qū)Υ┡诳祝诳组L度不大于15 m，上下區(qū)段平巷同時起爆；第二種方案從下區(qū)段平巷向上部實體煤側(cè)打單向炮孔，炮孔長度不大于30 m，下區(qū)段平巷單獨起爆。試驗初期，選擇第一種方案，后續(xù)根據(jù)實際鉆孔及裝藥情況，采用第二種方案。兩種方案爆破設(shè)計如表3所示。

圖3為上下區(qū)段平巷沿煤層傾向炮孔布置圖，即圖1中Ⅰ-Ⅰ剖面。上下區(qū)段平巷各布置3個炮孔，根據(jù)表2計算的孔網(wǎng)參數(shù)可知孔距為1.2 m。為避免爆破對頂板的破壞，同時考慮到底板的夾制作用，按照最上方炮孔與頂板距離不小于1.2 m，最下方炮孔與底板距離不大于1 m進行設(shè)計。已知煤層傾角為30°，通過余弦定理可確定炮孔在煤壁縱向的位置。

圖4為下區(qū)段平巷沿煤層走向炮孔布置圖，即圖1中Ⅱ-Ⅱ剖面。根據(jù)表2計算的孔網(wǎng)參數(shù)可知抵抗線為1m，由此可確定炮孔與工作面煤壁的距離。上區(qū)段平巷類比即可。

表3 兩種方案裝藥量計算參考值Table 3 Reference value for charge calculation of two schemes

3 爆破效果分析

從爆破落煤情況來看，整體爆破效果比較理想，爆堆分布集中，大部分煤體拋擲距離不超過1 m，適宜耙斗扒煤；爆破塊度較均勻，基本分布在100～300 mm，扒煤順暢。爆破落煤后，工作面不會出現(xiàn)爆落煤體將工作面下部端頭堵塞造成通風(fēng)不暢的問題，后續(xù)爆破循環(huán)可改為兩排或三排同時起爆。

從現(xiàn)場施工情況來看，一個循環(huán)的鉆孔可在6 h內(nèi)完成，按照試驗速度，每天可推進1～2個循環(huán)，預(yù)計工作面月產(chǎn)量能夠達到1萬t左右，滿足礦方預(yù)期，為進一步提高鉆孔工效，后續(xù)可采用第二種炮孔布置方案。

4 結(jié)論

(1)為解決大傾角煤層的安全高效開采，提出大傾角煤層無人工作面開采工藝，并引入深孔爆破技術(shù)實現(xiàn)工作面落煤。

(2)開展了大傾角無人工作面深孔爆破落煤試驗，根據(jù)裝藥量平衡原理，計算出滿足現(xiàn)場實際條件的爆破參數(shù)，據(jù)此提出炮孔布置及裝藥方案。

(3)爆破效果表明，爆堆分布集中，爆破塊度適宜，驗證了深孔爆破參數(shù)的合理性，設(shè)計成果可為后續(xù)生產(chǎn)積累重要的實踐經(jīng)驗，也可供其他項目參考借鑒。